電能收集充電器設(shè)計

1、電能收集充電器 學(xué) 院： 專 業(yè)（方 向）： 年 級、班 級： 學(xué) 生 學(xué) 號： 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 老 師： 2016 年 月 日摘 要本設(shè)計可實現(xiàn)在輸入電壓、輸入電流較小或較大的情況下高效收集電能對蓄電池或干電池完成充電。該充電器分為升壓電路、降壓電路和控制電路、顯示電路四部分，控制電路中由繼電器及集成運算放大器LM358完成電路變換。升壓電路主要采用MC34063芯片，降壓電路主要采用MC34063芯片，控制電路中使用LM358芯片決定繼電器兩端電壓，從而決定繼電器中開關(guān)的轉(zhuǎn)換，決定降壓電路、升壓電路的工作狀態(tài)。顯示電路利用單片機AT89C52與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC549，能夠測量0

2、5V之間的直流電壓值，四位數(shù)碼顯示?？刂齐娐窡o需外加輔助電源而能自供電，從而實現(xiàn)在某一連續(xù)電壓變換中進行持續(xù)充電。此充電器充電效率高，而且因為系統(tǒng)由分立元件搭建，成本很低。 【關(guān)鍵字】：LM358;MC34063;AT89C52;TLC549;電路變換AbstractThis design can realize the input voltage, input current is smaller or big collection of electrical energy efficient battery/dry finish charge. The charger points boo

3、ster circuit, step-down circuit and control circuit, four parts show circuit, control circuit by relay and the integrated operational amplifier LM358 complete circuit transformation. Mainly by using Mc34063 booster circuit chip, step-down voltage circuit mainly adopts the Mc34063 chip, control circu

4、it used in road LM358 chip decided to relay voltage at both ends, and decided to relay the conversion switch, decided to buck circuit, boost work condition of the circuit. Show circuit AT89C52 SCM and modulus of conversion chip TLC549, able to measure the 0-5 V dc voltage value between, four digital

5、 display. Control circuit without plus auxiliary power from the power supply and can. So as to achieve in a continuous voltage transform can achieve sustained in charge. The charger charging high efficiency, and because the system set up by division element, cost is very low.【Key Words】 LM358; MC340

6、63; AT89C52；TLC549； circuit transformationIII目錄1緒論11.1 引言11.2 選題簡介、意義與背景21.3 系統(tǒng)功能指標(biāo)22 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計52.1 主要設(shè)計內(nèi)容52.2 設(shè)計思想52.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)73 系統(tǒng)升壓電路、降壓電路設(shè)計93.1 芯片簡介93.2升壓充電模塊113.3降壓充電模塊123.4 升壓電路123.4.1 升壓電路工作原理123.4.2 以MC34063為核心的升壓電路133.5 降壓電路133.5.1 降壓電路工作原理133.5.2 以MC34063為核心的升壓電路144 系統(tǒng)單元電路設(shè)計154.1監(jiān)測電路154.1.1 模塊功能

7、介紹154.1.2監(jiān)測電路工作原理184.1.3監(jiān)測取樣電路184.2控制電路194.2.1模塊功能介紹194.2.2電路設(shè)計255 系統(tǒng)顯示電路275.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計275.2系統(tǒng)板上硬件連線305.3程序設(shè)計內(nèi)容316 總結(jié)分析326.1環(huán)境分析326.2設(shè)計總結(jié)32參考文獻(xiàn)33總 結(jié)34致 謝36附 錄371 緒論1.1 引言在當(dāng)今社會，太陽能/風(fēng)力發(fā)電已得到廣泛應(yīng)用，在出現(xiàn)低壓和小電流情況下可以實現(xiàn)小電流的高效收集。在太陽能電池處于陰雨天或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于小風(fēng)情況下，這些發(fā)電系統(tǒng)只能輸出較低電壓，同時電流也比較小。在這種情況下，通常傳統(tǒng)的直接向蓄電池充電的控制器，因電池達(dá)不到蓄電池充

8、電電壓,而難以向蓄電池實現(xiàn)充電，或者達(dá)到充電電壓但電流過小導(dǎo)致?lián)p失太大，達(dá)不到充進蓄電池的目的。與此同時，隨著節(jié)能降耗，綠色環(huán)保的理念日益深入，成為全社會的共識，設(shè)計新一代節(jié)能產(chǎn)品，提高能源利用率，已成為時代對產(chǎn)業(yè)界的要求?？梢灶A(yù)見的是，在不久的將來越來越多的節(jié)能發(fā)明會走進我們的生活。在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中經(jīng)常遇到電壓值連續(xù)可變的直流電源，由于這些電壓可以從極低的范圍（低于1V）變化至相對較高范圍（高于10V）,往往很難采集，正因如此這些電源往往被人們遺忘而造成電力的浪費。而常用的采集方法往往對所要采集的電壓有一定要求，這就限制了這些方法的應(yīng)用范圍。因此，設(shè)計一種能夠在超低電壓（低于1V）的條

9、件下工作的電路，使之能夠?qū)Φ蛪哼M行收集，無疑具有廣闊前景。本次畢業(yè)設(shè)計課題屬硬件設(shè)計類，主要任務(wù)是設(shè)計并制作一個在低電壓或小電流情況下能夠正常充電的電能充電器。該充電器的核心為直流電源變換器，它從一直流電源中吸收電能，以盡可能大的電流充入一個可充電池。直流電源的輸出功率有限，其電動勢E在一定范圍內(nèi)緩慢變化，當(dāng)E為不同值時，直流電源變換器的電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)可以不同。監(jiān)測和控制電路由直流電源變換器供電。由于E的變化極慢，監(jiān)測和控制電路應(yīng)該采用間歇工作方式，以降低其能耗。直流電壓變換器的設(shè)計主要選用了集成芯片MC34063。硬件啟動后采用間歇工作方式，并且可動態(tài)顯示實時采樣電壓。作品各部分設(shè)計無不以低

10、功耗，節(jié)能為考量，緊扣題目要求?？捎米髦绷麟妷褐底兓^大的工作場合的電能采集，有著廣闊的應(yīng)用前景和市場前景。1.2 選題簡介、意義與背景隨著PDA產(chǎn)品在日常生活中的普及使用，電池充電器的使用也越來越廣泛，一個好的充電器，不但能夠?qū)崟r地對充電電壓、電流進行檢測，針對電壓、電流參數(shù)的變化自動調(diào)整，同時還能在充電電壓很小時對電池進行充電。從20世紀(jì)60年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池（NiCd）、鎳氫電池（NiMH）、鋰電池（Li-Ion）、密封鉛酸電池（SLA）四種類型。隨著電子行業(yè)的不斷深入發(fā)展

11、，便攜式電子產(chǎn)品不斷向體積小、重量輕、性能高的方向發(fā)展，對移動電源的需求快速增長，這就對電池及其充電器提出了新的設(shè)計要求。隨著PDA產(chǎn)品在日常生活中的普及使用，電池充電器的使用也越來越廣泛，一個好的充電器，不但能夠?qū)崟r地對充電電壓、電流進行檢測，針對電壓、電流參數(shù)的變化自動調(diào)整，同時還能在充電電壓很小時對電池進行充電。從20世紀(jì)60年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池（NiCd）、鎳氫電池（NiMH）、鋰電池（Li-Ion）、密封鉛酸電池（SLA）四種類型。隨著電子行業(yè)的不斷深入發(fā)展，便攜式電子產(chǎn)

12、品不斷向體積小、重量輕、性能高的方向發(fā)展，對移動電源的需求快速增長，這就對電池及其充電器提出了新的設(shè)計要求。而與此同時節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的理念日益深入，成為全社會的共識，設(shè)計新一代節(jié)能產(chǎn)品，提高能源利用率，已成為時代對產(chǎn)業(yè)界的要求?？梢灶A(yù)見的是，在不久的將來越來越多的節(jié)能發(fā)明會走進我們的生活。在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中經(jīng)常遇到電壓值連續(xù)可變的直流電源，由于這些電壓可以從極低的范圍（低于1V）變化至相對較高范圍（高于10V）,往往很難采集，正因如此這些電源往往被人們遺忘而造成電力的浪費。而常用的采集方法往往對所要采集的電壓有一定要求，這就限制了這些方法的應(yīng)用范圍?；谏鲜鲈颍P者希望設(shè)計并制作一個

13、在低電壓或小電流情況下能夠正常充電的電能充電器。同時在進行實際操作中，筆者通過獨立完成硬件設(shè)計方案的設(shè)計任務(wù)，能夠較為熟練的掌握單片機的使用，熟悉作品設(shè)計的方法，為今后從事這方面的工作打下良好的基礎(chǔ)。1.3 系統(tǒng)功能指標(biāo)該充電器的核心為直流電源變換器，它從一直流電源中吸收電能，以盡可能大的電流充入一個可充電池。直流電源的輸出功率有限，其電動勢E在一定范圍內(nèi)緩慢變化，當(dāng)E為不同值時，直流電源變換器的電路結(jié)構(gòu)，參數(shù)可以不同。監(jiān)測和控制電路由直流電源變換器供電。由于E的變化極慢，監(jiān)測和控制電路應(yīng)該采用間歇工作方式，以降低其能耗?？沙潆姵氐碾妱觿軪=3.6V，內(nèi)阻Rc=0.1。本設(shè)計的目的是實現(xiàn)在輸入

14、電流、輸入電壓較低的情況下對充電電池的充電。指標(biāo)如下：1）在Rs=100，Es=10V20V時，充電電流Ic大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）。2）在Rs=100時，能向電池充電的Es盡可能低。 3）Es從0逐漸升高時，能自動啟動充電功能的Es盡可能低。 4）Es降低到不能向電池充電，最低至0時，盡量降低電池放電電流。 5）監(jiān)測和控制電路工作間歇設(shè)定范圍為 0.1 s5s。設(shè)計加選專題部分：1）在Rs=1，Es=1.2V3.6V時，以盡可能大的電流向電池充電。 2）能向電池充電的Es盡可能低。當(dāng)Es1.1V時，取Rs =1； 當(dāng)Es1.1V時，取Rs =0.1。 3）電池完全放電，Es從0逐漸

15、升高時，能自動啟動充電功能（充電輸出端開路電壓3.6V，短路電流0）的Es盡可能低。當(dāng)Es1.1V時，取Rs =1；當(dāng)Es1.1V時，取Rs=0.1。該電能收集充電器系統(tǒng)包括升壓電路、降壓電路、監(jiān)測電路、控制電路和顯示電路共五個模塊，由于五個模塊相對獨立，以下分別對其進行原理分析與電路設(shè)計。硬件總體框圖如圖1-1所示:ii電壓檢測A/D轉(zhuǎn)換動態(tài)LED顯示AT89S52存儲器鍵盤控制調(diào)整電路模擬充電電池圖1-1 硬件總框圖利用單片機對繼電器進行控制，根據(jù)單片機給出的高低電平來實現(xiàn)繼電器的通斷，以單片機為核心，對充電電路進行間歇性監(jiān)控，在不同直流電源電壓的條件下使充電電流盡可能大，而充電電壓盡可能

16、低，當(dāng)電源電壓大于某一較小值時，能自動啟動充電功能。當(dāng)電池充滿后，充電電路繼續(xù)充電而引起的電池溫度升高，此時溫度監(jiān)測電路對此進行反饋，從而停止對電池的繼續(xù)充電。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 主要設(shè)計內(nèi)容設(shè)計并制作一個電能收集充電器，充電器及測試原理示意圖如圖2-1。該充電器的核心為直流電源變換器，它從一直流電源中吸收電能，以盡可能大的電流充入一個可充電池。直流電源的輸出功率有限，其電動勢E在一定范圍內(nèi)緩慢變化，當(dāng)E為不同值時，直流電源變換器的電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)可以不同。監(jiān)測和控制電路由直流電源變換器供電。由于E的變化極慢，監(jiān)測和控制電路應(yīng)該采用間歇工作方式，以降低其能耗?？沙潆姵氐碾妱觿軪s=3.6V，

17、內(nèi)阻Rc=0.1。圖2-1 測試原理示意圖主要設(shè)計模塊有單片機的基本電路、升壓電路、降壓電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測采集監(jiān)測電路、LCD顯示電路、鍵盤電路等。通過鍵盤控制檢測和控制的工作間歇時間，由單片機進行分析處理，在不同直流源的情況下選擇不同的充電電路，即升壓/降壓電路，并且顯示間歇時間和監(jiān)測到的電壓。原理框圖如上圖所示，經(jīng)過充分論證，該方案是可行的。2.2 方案選擇方案一：選用AT89C52單片機作為電能收集充電器的控制核心。依MC64063芯片為核心的DC-DC升壓和降壓電路，再加上檢測采樣電路和系統(tǒng)顯示電路而形成的整體電能收集充電器電路。其工作原理為：以單片機為核心，對充電電路進行間

18、歇性監(jiān)控，在不同直流電源電壓的條件下使充電電流盡可能大，而充電電壓盡可能低，當(dāng)電源電壓大于某一較小值時，能自動啟動充電功能。當(dāng)電池充滿后，充電電路繼續(xù)充電而引起的電池溫度升高，此時溫度監(jiān)測電路對此進行反饋，從而停止對電池的繼續(xù)充電。方案二：選用包括LM2671構(gòu)成的直流-直流轉(zhuǎn)換器（即DC-DC轉(zhuǎn)換器）電路，MC34063構(gòu)成的Boost型DC-DC電路，高側(cè)電流檢測電路以及由ATMEGA16單片機構(gòu)成的監(jiān)控電路。當(dāng)直流供電電源Es低于初始設(shè)定電壓值時，用Boost電路升壓以便對電池充電；當(dāng)Es高于初始設(shè)定電壓值時，再用Boost電路降壓充電。而充電電流的大小，BUCK電路Boost電路的切換

19、均由單片機進行控制。其工作原理為：以單片機為核心，對充電電路進行監(jiān)控，將經(jīng)過升壓/降壓變換器后的充電電流采樣放大后送入比較器與基準(zhǔn)源比較，再將比較器的輸出信號反饋到Buck和Boost電路，調(diào)節(jié)Buck電路和Boost電路的PWM波，達(dá)到控制充電電流的目的。當(dāng)無法對目標(biāo)電池充電時，由單片機控制關(guān)斷變換器，竟可能的減小目標(biāo)電池的放電電流。2.3 設(shè)計思想隨著節(jié)能降耗，綠色環(huán)保的理念日益深入，成為全社會的共識，設(shè)計新一代節(jié)能產(chǎn)品，提高能源利用率，已成為時代對產(chǎn)業(yè)界的要求?？梢灶A(yù)見的是，在不久的將來越來越多的節(jié)能發(fā)明會走進我們的生活。在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中經(jīng)常遇到電壓值連續(xù)可變的直流電源，由于這些電

20、壓可以從極低的范圍（低于1V）變化至相對較高范圍（高于10V），往往很難采集，正因如此這些電源往往被人們遺忘而造成電力的浪費。而常用的采集方法往往對所要采集的電壓有一定要求，這就限制了這些方法的應(yīng)用范圍。從20世紀(jì)60年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池（NiCd）、鎳氫電池（NiMH）、鋰電池（Li-Ion）、密封鉛酸電池（SLA）四種類型。隨著電子行業(yè)的不斷深入發(fā)展，便攜式電子產(chǎn)品不斷向體積小、重量輕、性能高的方向發(fā)展，對移動電源的需求快速增長，這就對電池及其充電器提出了新的設(shè)計要求。利用單片

21、機對繼電器進行控制，根據(jù)單片機給出的高低電平實現(xiàn)繼電器的通斷，從而選擇是升壓電路還是降壓電路。這種方法比較方便而且高效 。選用AT89C52單片機作為電能收集充電器的控制核心。主要設(shè)計模塊有單片機的基本電路、升壓電路、降壓電路、自啟動電路、溫度監(jiān)測電路LED顯示電路、穩(wěn)壓電路、鍵盤電路等。通過鍵盤控制檢測和控制的工作間歇時間，由單片機進行分析處理，在不同直流源的情況下選擇不同的充電電路，即升壓/降壓電路，并且顯示間歇時間和監(jiān)測到得電壓。原理框圖如圖2-1所示，經(jīng)過充分論證，該方案是可行的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程

22、序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計一種能夠在超低電壓（低于1V）的條件下工作的電路，使之能夠?qū)Φ蛪哼M行收集，無疑具有廣闊前景。通過獨立完成硬件設(shè)計方案的設(shè)計任務(wù)，掌握單片機的使用，熟悉作品設(shè)計的方法。為今后從事這方面的工作打下良好的基礎(chǔ)。主要功能特性：（1）兼容MCS51指令系統(tǒng)；（2）8k可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM；（3）32個雙向I/O口；（4）256x8bi

23、t內(nèi)部RAM；（5）3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；（6）時鐘頻率0-24MHz；（7）2個串行中斷，可編程UART串行通道；（8）2個外部中斷源，共8個中斷源；（9）2個讀寫中斷口線，3級加密位；（10）低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；（11）有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開始初始化電壓輸入電壓比較升壓電路切換電路降壓電路開始充電顯示YN圖2-2 系統(tǒng)總體框圖當(dāng)電壓輸入在0.8v5.0v時，繼電器沒有工作，升壓電路處于連通狀態(tài)，升壓電路工作，開始對充電電池工作。當(dāng)電壓大于5.0v時，則通過lm324n進行電壓比較

24、后，繼電器兩端電壓達(dá)到吸合電壓，繼電器開始工作，升壓電路停止工作，電路切換，降壓電路開始工作?；究梢詫崿F(xiàn)，系統(tǒng)輸入電壓為0.8v-5.8v時，基本可以實現(xiàn)持續(xù)充電。且當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓大于4.8v時，該系統(tǒng)可實現(xiàn)恒定電壓對蓄電池進行充電。3 系統(tǒng)升壓電路、降壓電路設(shè)計3.1 芯片簡介使用MC34063設(shè)計DC-DC降壓電路。引腳圖如下圖3-1所示。以MC34063為中心搭建電路，通過調(diào)整R1、R2阻值大小，實現(xiàn)對輸入電壓的比例降低和升高1任致程.實用電路500例與實現(xiàn)M .北京：機械工業(yè)出版社，2005：35-42.。由于線性電壓轉(zhuǎn)換器LM2596的器材限制，而且MC34063作為開關(guān)電源芯片使

25、用已經(jīng)多年，其升降壓電路技術(shù)歷經(jīng)多年發(fā)展已相當(dāng)成熟，故本設(shè)計選用第三種方案搭建直流電源變換器的降壓充電模塊。LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設(shè)計。其封裝形式包括標(biāo)準(zhǔn)的5腳TO-220封裝（DI

26、P）和5腳TO-263表貼封裝（SMD）。該器件還有其他一些特點：在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在15%的范圍內(nèi)；可以用僅80A的待機電流，實現(xiàn)外部斷電；具有自我保護電路（一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路）。特點：（1）3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出；（2）可調(diào)輸出電壓范圍1.2V37V4%；（3）輸出線性好且負(fù)載可調(diào)節(jié)；（4）輸出電流可高達(dá)3A； （5）輸入電壓可高達(dá)40V；（6）采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小、效率高；（7）低功耗待機模式，IQ的典型值為

27、80A； （8）TTL斷電能力； （9）具有過熱保護和限流保護功能；（10）封裝形式：TO-220（T）和TO-263（S）；（11）外圍電路簡單，僅需4個外接元件， 且使用容易購買的標(biāo)準(zhǔn)電感；Mc34063是一單片雙極型線性集成電路專用于直流變換器控制部分，片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準(zhǔn)源，一個占空比周期控制振蕩器驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器降壓式變換器和電源反向器。MC34063系列是包含 DC-DC轉(zhuǎn)換器基本功能的單片集成控制電路。該器件的內(nèi)部組成包括帶溫度補償?shù)膮⒖茧妷?、比較器、帶限流電路的占空比控制振蕩器、驅(qū)動器、大電流輸出開

28、關(guān)。該器件專用于降壓、升壓以及電壓極性反轉(zhuǎn)場合，可以減少外部元件的使用數(shù)量。獲取更詳細(xì)的設(shè)計參考信息，可參閱應(yīng)用筆記“ AN920A/D”或 “ AN954/D”。圖3-1 MC34063芯片引腳特點：（1）能在3.0v40v的輸入電壓下工作；（2）短路電流限制；（3）低靜態(tài)電流；（4）輸出開關(guān)電流可達(dá)1.5A（無外接三極管）；（5）輸出電壓可調(diào)；（6）工作振蕩頻率從100HZ至100KHZ；（7）可構(gòu)成升壓、降壓或反向電源變換；（8）參考電壓精度2%。MC34063在使用時強制性的超出極限參數(shù)將損壞器件。極限參數(shù)只是強制性參數(shù)，不代表正常正常工作要超出推薦工作條件，長期超出推薦工作條件的操作

29、將影響器件的可靠性。1.必須注意封裝的最大功耗限制。2.ESD數(shù)據(jù)根據(jù)要求提高。3.2 升壓充電模塊直流升壓就是將電池提供的較低的直流電壓，提升到需要的電壓值，其基本的工作過程都是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值脈沖整流獲得高壓直流電，因此直流升壓電路屬于DC/DC電路的一種類型。由于直流源有時處于沒有達(dá)到額定值的較低電壓下，而這種電壓往往不能滿足負(fù)載電壓（本題要求負(fù)載為3.6V）的要求,為此必須對低電壓來進行升壓，達(dá)到負(fù)載的要求2歐陽光中.數(shù)學(xué)分析M.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1993:226-258.3李學(xué)海.PIC單片機實用教程M.北京：北京航空航天出版社，2002：120-

30、135.。電路設(shè)計主要采用集成芯片MC34063AP1，來自外部的電壓通過上圖所示升壓電路實現(xiàn)比例放大，放大比例為 。其中 。其電路圖如圖3-2所示：圖3-2 升壓模塊仿真電路圖3.3 降壓充電模塊由于直流源有時處于超過額定值的較高電壓下，而這種電壓往往超過負(fù)載電壓（本題要求負(fù)載電壓為3.6V）的要求，為此必須對高電壓進行適當(dāng)降壓，達(dá)到負(fù)載的要求4胡虔生，胡敏強.電機學(xué)M.北京：中國電力出版社，2005：45-57.5薛定宇著.控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言及應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，1998：78-89.。電路設(shè)計主要采用集成芯片MC34063AP1，來自外部的電壓通過上圖所示升

31、壓電路來實現(xiàn)比例降壓，使用的降壓比例為 ，其中 。電路設(shè)計如圖3-3所示：圖3-3 降壓模塊仿真電路圖電容降壓的工作原理并不復(fù)雜。他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。例如,在50Hz的工頻條件下,一個1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當(dāng)220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過電容的最大電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA,但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，因為如果電容是一個理想電容,則流過電容的電流為虛部電流,它所作的功為無功功率。根據(jù)這個特點,我們?nèi)绻谝粋€1uF的電容器上再串聯(lián)一個阻性元件,則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決

32、于這個阻性元件的特性。例如,我們將一個110V/8W的燈泡與一個1uF的電容串聯(lián),在接到220V/50Hz的交流電壓上,燈泡被點亮,發(fā)出正常的亮度而不會被燒毀。因為110V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA,它與1uF電容所產(chǎn)生的限流特性相吻合。同理,我們也可以將5W/65V的燈泡與1uF電容串聯(lián)接到220V/50Hz的交流電上,燈泡同樣會被點亮,而不會被燒毀。因為5W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA。因此,電容降壓實際上是利用容抗限流。而電容器實際上起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色。3.4 升壓電路3.4.1 升壓電路工作原理二極管采用1N5819 或

33、MBR0540L 型號的肖特基二極管，電感采用常用的典型值47H 的電容，使用的時候應(yīng)該注意增大電感的同時將減小流過的峰值電流，從而來降低輸出電流；而減小電感的同時，又將增大流過的峰值電流而導(dǎo)致內(nèi)部電流比較器延時。輸出電壓Vout由R1,R2確定，其中:R1 = R2(Vout/Vref- 1) (1)式(1) 中Vref = 1.25V，可見輸出電壓V OU T只與R1、R2有關(guān)，所以此時只需選定R1、R2的阻值，即可確定輸出值5。3.4.2 以MC34063為核心的升壓電路升壓電路圖如圖3-4所示：圖3-4 以MC34063為核心的升壓電路3.5 降壓電路2.2k1k3.5.1 降壓電路工

34、作原理工作過程： （1）比較器的反相輸入端(腳5)通過外接分壓電阻R1、R2監(jiān)視輸出電壓。其中，輸出電壓Uo=1.25(1+ R2/R1)由公式可知輸出電壓。僅與R1、R2數(shù)值有關(guān)，因1.25V為基準(zhǔn)電壓，恒定不變。若R1、R2阻值穩(wěn)定，U亦穩(wěn)定6樓順天.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計控制系統(tǒng)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000:56-78.。 （2）腳5電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓125V同時送人內(nèi)部比較器進行電壓比較。當(dāng)腳5的電壓值低于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(125V)時，比較器輸出為跳變電壓，開啟RS觸發(fā)器的S腳控制門，RS觸發(fā)器在內(nèi)部振蕩器的驅(qū)動下，Q端為“1”狀態(tài)(高電平)，驅(qū)動管T2導(dǎo)通，開關(guān)

35、管T1亦導(dǎo)通，使輸入電壓Ui向輸出濾波器電容Co充電以提高U。，達(dá)到自動控制U。穩(wěn)定的作用7孫增忻.智能控制理論與技術(shù)M.北京：清華大學(xué)出版社，2004：23-45.8李學(xué)海.PIC單片機典型模塊設(shè)計M.北京：人民郵電出版社，2005:34-65.。 （3）當(dāng)腳5的電壓值高于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(125V)時，RS觸發(fā)器的S腳控制門被封鎖，Q端為“0”狀態(tài)(低電平)，T2截止，T1亦截止8。 （4）振蕩器的Ipk 輸入(腳7)用于監(jiān)視開關(guān)管T1的峰值電流，以控制振蕩器的脈沖輸出到RS觸發(fā)器的Q端8。 （5）腳3外接振蕩器所需要的定時電容Co電容值的大小決定振蕩器頻率的高低，亦決定開關(guān)管T1的通斷時間8

36、。2.2k1k3.5.2 以MC34063為核心的升壓電路降壓電路圖如圖3-5所示：圖3-5 以MC34063為核心的降壓電路4 系統(tǒng)單元電路設(shè)計4.1 監(jiān)測電路4.1.1 模塊功能介紹監(jiān)測電路采集來自外部電壓信號，送入單片機P6.0口（AD口），供單片機判決4。LM358系列運算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器。適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合4。LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電

37、源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358的封裝形式有塑封引線雙列直插式、貼片式和圓形金屬封裝等。LM358工作原理工作原理由紅外線傳感器、信號放大電路、電壓比較器、延時電路和音響報警電路等組成。紅外線探測傳感器IC1探測到前方人體輻射出的紅外線信號時，由IC1 的腳輸出微弱的電信號，經(jīng)三極管VT1 等組成第一級放大電路放大，再通過C2輸入到運算放大器IC2中進行高增益、低噪聲放大，此時由IC2腳輸出的信號已足夠強。IC3作電壓比較器，它的第腳

38、由R10、VD1提供基準(zhǔn)電壓，當(dāng)IC2腳輸出的信號電壓到達(dá)IC3的腳時，兩個輸入端的電壓進行比較，此時IC3的腳由原來的高電平變?yōu)榈碗娖?。IC4 為報警延時電路，R14 和C6 組成延時電路，其時間約為1 分鐘。當(dāng)IC3的腳變?yōu)榈碗娖綍r，C6通過VD2放電，此時IC4 的腳變?yōu)榈碗娖?，它與IC4的腳基準(zhǔn)電壓進行比較，當(dāng)它低于其基準(zhǔn)電壓時，IC4 的腳變?yōu)楦唠娖?，VT2 導(dǎo)通，訊響器BL通電發(fā)出報警聲。人體的紅外線信號消失后，IC3的腳又恢復(fù)高電平輸出，此時VD2 截止。由于C6兩端的電壓不能突變，故通過R14向C6 緩慢充電，當(dāng)C6兩端的電壓高于其基準(zhǔn)電壓時，IC4的腳才變?yōu)榈碗娖?，時間約為1

39、 分鐘，即持續(xù)1分鐘報警。由VT3、R20、C8 組成開機延時電路，時間也約為1分鐘，它的設(shè)置主要是防止使用者開機后立即報警，好讓使用者有足夠的時間離開監(jiān)視現(xiàn)場，同時可防止停電后又來電時產(chǎn)生誤報。LM358示意圖該裝置采用912V直流電源供電，由T 降壓，全橋U整流，C10 濾波，檢測電路采用IC5 78L06供電。本裝置交直流兩用，自動無間斷轉(zhuǎn)換。圖4-1 LM358示意圖LM358的特點：（1）內(nèi)部頻率補償；（2）直流電壓增益高(約100dB)；（3）單位增益頻帶寬(約1MHz)；（4）電源電壓范圍寬：單電源(330V)；（5）雙電源(1.5 一15V)；（6）低功耗電流，適合于電池供電，

40、低輸入偏（7）低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；（8）共模輸入電壓范圍寬，包括接地；（9）差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；（10）輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V)。圖4-2 LM358管腳連接圖LM358相關(guān)特性：內(nèi)部頻率補償直流電壓增益高(約100dB)單位增益頻帶寬(約1MHz)電源電壓范圍寬：單電源(330V)；雙電源(1.5 一15V)低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V)1圖4-3 LM358典型應(yīng)用電路4.1.2 監(jiān)測電路工作原理如上圖4-1所示，集成運放芯片LM358中由虛短

41、原理得點2，點3的電壓相等。故2點電壓和輸入電壓相等。由虛短原理及歐姆定理得繼電器兩端電壓/輸入電壓=（R1+R2）/R2，故輸入電壓值決定繼電器兩端電壓值9?？刂齐娐分校龎弘娐返膬啥私拥嚼^電器的常閉觸點，降壓電路的兩端接到繼電器的常開觸點9。當(dāng)輸入電壓小于0.8v時，降壓電路、升壓電路均不工作。當(dāng)電壓大于0.8v時，升壓電路開始工作。輸入電壓經(jīng)過集成運放后使繼電器兩端的電壓小于繼電器的吸合電壓，故降壓電路不工作。直到輸入電壓升到4.0v后，輸入電壓經(jīng)過集成運放后使繼電器兩端電壓大于繼電器的吸合電壓，則降壓電路導(dǎo)通，升壓電路斷開，并且這一段時間該系統(tǒng)對蓄電池進行持續(xù)充電。之后升壓電路能夠?qū)崿F(xiàn)

42、恒定的一輸出電壓對蓄電池充電9。4.1.3監(jiān)測取樣電路電路設(shè)計主要采用了一個運算放大器，來自外部的采集信號首先進行1/10衰減，然后送入運放，通過運放消弱環(huán)境噪聲，來保護下級電路。運放選用LM358，因為該運放可以單電源供電，而普通運放一般需正負(fù)兩種電源供電，在本文中是無法實現(xiàn)的，監(jiān)測電路圖如圖4-3所示9。圖4-4監(jiān)測取樣電路圖4.2 控制電路4.2.1 模塊功能介紹利用單片機對繼電器進行控制，根據(jù)單片機給出的高低電平實現(xiàn)繼電器的通斷，從而選擇是升壓電路還是降壓電路。這種方法比較方便而且高效10。本課題采用單片機AT89C52單片機，AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)

43、含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52除了有AT89C51所有的定時/計數(shù)器0 和定時/計數(shù)器1 外，還增加了一個定時/計數(shù)器2。AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用10。主要功能特性：（1）兼容MCS51指令系統(tǒng)；（2）8k可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM；（3）32個雙向I/O口；（4）256x8bit內(nèi)部RAM；（5）3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；（

44、6）時鐘頻率0-24MHz；（7）2個串行中斷，可編程UART串行通道；（8）2個外部中斷源，共8個中斷源；（9）2個讀寫中斷口線，3級加密位；（10）低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；（11）有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。引腳功能及管腳電壓：如下圖4-4所示，AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能

45、控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0-P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0 端口（32-39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和1

46、1腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能10。（1）P0 口P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)

47、，校驗時，要求外接上拉電阻。（2）P1 口P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），參見表1。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低8 位地址。表4-1 P1.0和P1.1的第二功能引腳號功能特性P1.0T2，時鐘輸出

48、P1.1T2EX（定時/計數(shù)器2）（3）P2 口P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口P2 寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRI 指令）時，P2 口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號

49、。（4）P3 口P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。（5）ALE/PROG當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況

50、下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無效。（6）PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PS

51、EN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。（7）EA/VPP外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。（8）XTAL1振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（9）XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。數(shù)據(jù)存儲AT89C52 有256 個字節(jié)

52、的內(nèi)部RAM，80H-FFH 高128 個字節(jié)與特殊功能寄存器（SFR）地址是重疊的，也就是高128字節(jié)的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它們是分開的。當(dāng)一條指令訪問7FH 以上的內(nèi)部地址單元時，指令中使用的尋址方式是不同的，也即尋址方式?jīng)Q定是訪問高128 字節(jié)RAM 還是訪問特殊功能寄存器。如果指令是直接尋址方式則為訪問特殊功能寄存器。例如，下面的直接尋址指令訪問特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址單元。MOV 0A0H，#data間接尋址指令訪問高128 字節(jié)RAM，例如，下面的間接尋址指令中，R0 的內(nèi)容為0A0H，則訪問數(shù)據(jù)字節(jié)地址為0A0H，而不是P2 口（0A0

53、H）。MOV R0，#data堆棧操作也是間接尋址方式，所以，高128 位數(shù)據(jù)RAM 亦可作為堆棧區(qū)使用。定時器0和定時器1：AT89C52的定時器0和定時器1 的工作方式與AT89C51 相同。TX2-5V繼電器內(nèi)部管腳圖如下圖4-5所示：圖4-5 PDIP封裝的AT89C52引腳圖圖4-6 繼電器控制模塊TX2-5V繼電器參數(shù)類 型：信號繼電器系 列：TX系列型 號：TX2-5V外形尺寸（mm）：14.09.05.0mm（LWH）重 量：2g觸點參數(shù)：觸點形式：2C（DPDT）觸點負(fù)載：2A30VDC, 阻 抗：50m 額定電流：2A電氣壽命：10萬回機械壽命：1億回線圈參數(shù)：阻值(士10

54、%)：178線圈功耗：140mW額定電壓：DC5V吸合電壓：DC3.75V釋放電壓：DC0.5V工作溫度：-40+85絕緣電阻：1000M線圈與觸點間耐壓：1000VAC/1分鐘觸點與觸點間耐壓：1000VAC/1分鐘4.2.2 電路設(shè)計如下圖4-6所示單片機對采集后的電壓和原先設(shè)定的電壓進行對比判定后，由P3.0口發(fā)出控制指令，控制指令實現(xiàn)三極管的導(dǎo)通或截止，使繼電器選擇使用降壓電路或升壓電路，然后再對對電池進行穩(wěn)定供電。三極管2N3904選用普通NPN型。繼電器選用直流TX2-5型，工作電壓為3.6V。該電壓可由直流電源變換器獲得，滿足了題目要求，系統(tǒng)控制電路圖如圖4-7所示 11。圖4-7 控制電路圖圖4-8 系統(tǒng)控制電路圖5 系統(tǒng)顯示電路5.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計控制電路以AT80C52為核心，首先讓輸入電壓經(jīng)過tlc549將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將取得模擬量經(jīng)過QC1602顯示出來，并將在單片機內(nèi)部程序中設(shè)置與3.6V比較，通過控制一個I/O口輸出高低電平，再用這個高低電平經(jīng)三極管NPN9013控制繼電器換擋，在這部分中由于t